基于IR2101最大功率跟蹤逆變器的設計與實現

隨著工業和科學技術的不斷發展，對電能質量的要求將越來越高，包括市電電網在內的原始電能的質量可能滿足不了設備要求，必須經過電力電子裝置變換后才能使用，而DC／AC逆變技術在這種變換中將起到重要的作用。根據市場趨勢，逆變器的選型安裝越來越傾向于小型化、智能化、模塊化等方向發展，其控制電路主要采用數字控制，系統的安全性，可靠性以及擴展性，同時將各個完善的保護電路考慮其中。因此，這里提出一種基于IR2101的最大功率跟蹤逆變器設計方案。

1 IR2101簡介
IR2101是雙通道、柵極驅動、高壓高速功率驅動器，該器件采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅動電路的可靠性。同時上管采用外部自舉電容上電，使驅動電源數目較其他IC驅動大大減少，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數目，降低了產品成本，提高了系統可靠性。
IR2101采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅動電壓范圍10～20 V；邏輯電源范圍5～20 V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5 V的偏移量；帶有下拉電阻的CNOS施密特輸入端，方便與LSTTL和CMOS電平匹配；獨立的低端和高端輸入通道。IR2101的內部結構框圖如圖1所示。

圖1中，HIN為邏輯輸入高；LIN為邏輯輸入低；VB為高端浮動供應；HO為高邊柵極驅動器輸出；Vs為高端浮動供應返回；Voc為電源；LO為低邊柵極驅動器輸出；COM為公共端。

2 系統硬件設計
根據系統設計功能需求，其硬件組成框圖如圖2所示。該系統硬件設計是由SPMC75F2413A單片機主控制器模塊、外部供能系統(普通或光伏)、斬波電路模塊、IR2101逆變電路模塊和最大功率跟蹤外部電路模塊組成。通過最大功率跟蹤外部電路模塊檢測外部電壓，將檢測值返回到SPMC75F2413A主控制器中。斬波電路模塊通過主控制器對其控制，實現最大功率跟蹤。外部供能系統是為各個模塊提供電源。IR2101逆變電路模塊主要實現DC／AC的轉換，并由斬波電路為其提供最大功率點的電能。

圖2中的SPMC75F2413A單片機正常工作電壓為5 V。但是其他模塊所加的電壓不同，斬波電路模塊與IR2101逆變電路模塊所加的電壓為15 V。因為IR2101的正常工作電壓為10～20V。
2．1 IR2101逆變電路
IR2101逆變電路原理圖如圖3所示，H1、H2為IR2101集成驅動芯片，VQ1、VQ2、VQ3、VQ4為MOS管，Up、Un、Vp、Vn是SPMC75F2413A單片機中輸出的兩相四路PWM波。其中Up、Un是一相PWM波的上下臂，Vp、Vn為另一相PWM波的上下臂，由于單片機中輸出的PWM波不能驅動大功率MOS管，因此利用IR2101的電容自舉功能，通過二極管VD1、VD2(采用肖特基管所具有的快恢復功能，提升電容充電電壓，關斷過程減少消耗能量)對自舉電容C1、C2進行充電，以此提升驅動MOS管的信號電壓，使其具有擴大信號輸出的功能，擴大后的信號PWM波就能有序地控制VQ-1、VQ2、VQ3、VQ4的通斷，在逆變電路中同一相的上下臂的驅動信號是互補。